Æwiczenie 16 Wska¿niki pH. Barwniki

pH – ujemny logarytm ze stęŜenia jonów wodorowych

pH = - log [H

]

pH jest miarą kwasowości roztworu:

Wartość pH

Roztwór

0<pH<7

Kwaśny

pH = 7

Obojętny

7<pH<14

Zasadowy

Wskaźniki pH (indykatory) – są to substancje, najczęściej organiczne, które posiadają inne

zabarwienie w postaci cząsteczkowej oraz zdysocjowanej, a tym samym zmieniają barwę w

roztworze o określonym odczynie (pH). Stosuje się je w postaci roztworów wodnych lub

alkoholowych, które dodaje się do roztworu badanego lub teŜ w postaci papierków

wskaźnikowych, którymi są wysuszone kawałki bibuły filtracyjnej nasączone uprzednio

roztworem wskaźnika.

Najczęściej stosowane wskaźniki pH:

Barwa w postaci

Wskaźniki

Zakres zmiany pH

kwasowej

zasadowej

Błękit tymolowy

1,2 – 2,8

Czerwona

ółta

ółcień metylowa

2,9 – 4,0

Czerwona

ółta

Błękit bromofenolowy

3,0 – 4,6

ółta

Niebieska

OranŜ metylowy

3,1 – 4,4

Czerwona

ółta

Czerwień metylowa

4,2 – 6,3

Czerwona

ółta

Lakmus

5,0 – 8,0

Czerwona

Niebieska

Błękit bromotymolowy

6,0 – 7,6

ółta

Niebieska

Czerwień obojętna

6,8 – 8,0

Czerwona

ółta

Błękit tymolowy

8,0 – 9,6

ółta

Niebieska

Fenoloftaleina

8,1 – 10,0

Bezbarwna

Malinowa

Tymoloftaleina

9,3 – 10,5

Bezbarwna

Niebieska

Nitramina

11,0 – 13,0

Bezbarwna

Pomarańczowa

Roślinne wskaźniki pH

Wiele  roślin  zawiera  naturalne  barwniki  mające  właściwości  wskaźników  pH.  Niektóre
nazywane  są  nawet  roślinami  wskaźnikowymi,  pozwalającymi  na  określenie  kwasowości
gleby.  Np.  kwiaty  niezapominajki  na  podłoŜu  kwaśnym  mają  wyraźnie  róŜowy  odcień
w odróŜnieniu od niebieskich kwiatów rosnących na podłoŜu alkalicznym (dotyczy to jednak
tylko tych roślin, które kwitną po raz pierwszy; niezapominajka jest rośliną wieloletnią).

Najpopularniejszym wskaŜnikiem pH pochodzenia naturalnego jest lakmus. Jest to niebieski
barwnik otrzymywany z porostów Rocecella i Lecanora występujących na wybrzeŜu Morza

ródziemnego i Atlantyku. Nazwa „lakmus” pochodzi od holenderskiego słowa lacmoes (od

moes="papka, pulpa"). Roztwór lakmusu w środowisku zasadowym barwi się na niebiesko,
zaś w obecności kwasów na czerwono. Zakres zmiany barwy przypada na pH ok. 5-8.

Innymi barwnikami mającymi właściwości wskaźników są

barwniki antocyjanowe

(antocyjany) oraz

betalainowe (betalainy)

Antocyjany nadają zabarwienie wielu owocom (np. czarna jagoda, aronia), warzywom (np.
czerwona kapusta), kwiatom (np. pelargonia, dalia, róŜe, fiołki i inne) oraz

nasionom

i liściom roślin

Ich stęŜenie w owocach związane jest ze stopniem ich dojrzałości

i najczęściej rośnie w miarę dojrzewania owocu.

Antocyjany występują szeroko w całym świecie roślin z wyjątkiem glonów i rodzin takich jak
kaktusowate oraz komosowate (np. komosa, burak, szpinak). Rodziny te mają swoją odrębną
grupę barwników zwanych barwnikami betalainowymi (betalainami). Obecność betalain
w roślinie wyklucza obecność w nich antocyjanów.

Struktura i własności chemiczne

Antocyjany  to  barwniki  roślinne  o  kolorze  czerwonym,  niebieskim  lub  fioletowym.  NaleŜą
one  do  szerszej  grupy  związków  zwanej  flawonoidami.  Mają  charakter  glikozydów,  czyli
w ich skład wchodzą części cukrowe (zwane glikonami) pochodzące najczęściej od glukozy,
a  rzadziej  od:  galaktozy,  ksylozy,  ramnozy  i  arabinozy  oraz  grupy  niecukrowe  (zwane
aglikonami).  Aglikon antocyjanów nosi nazwę antocyjanidyny.  Z  roślin wyizolowano ponad
500  róŜnych  antocyjanów,  wyróŜniono  wśród  nich  15  typów  budowy  części  aglikonowych,
z których 6 spotyka się w naturze najczęściej  (Rys. 1).

Rys. 1. Najczęściej występujące modyfikacje pierścienia B antocyjanidyny

antocyjanidyna

barwa

Symbol

pelargonidyna

Pomarańczowa,

łososiowa

E163d

cyjanidyna

Purpurowo-róŜowa

E163a

peonidyna

OCH

Purpurowo-róŜowa

E163e

delfinidyna

Fioletowa,

niebieska

E163b

petunidyna

OCH

Fioletowa

E163f

malwidyna

OCH

Fioletowa

E163c

Barwa  antocyjanów  zaleŜy  od  pH  środowiska,  w  jakim  się  one  znajdują.  W  przypadku  pH
poniŜej 7 (kwaśne) są one czerwone, a w pH obojętnym lub zasadowym (pH > 7) mają barwę
niebieską  lub  fioletową.  Jeśli jednak  występują  one  w  kompleksie  z  jonami  glinu  lub  Ŝelaza
(III),  to  mimo  kwaśnego  odczynu  środowiska,  równieŜ  mają  barwę  niebieską.  Tak  jest  np.
w  kwiatach  chabra  bławatka  cyjanidyna  nadaje  barwę  niebieską  a  róŜy  ten  sam  barwnik
nadaje barwę czerwoną.

Betalainy dzieli się ze względu na ich strukturę na dwie grupy: czerwno-fioletowe betacyjany
i  Ŝółte  betaksantyny.  Jak  dotąd,  opisano  ponad  50  betalain.  Podstawowym  elementem  ich
struktury  jest  układ  chromoforowy  trzech  sprzęŜonych  wiązań  podwójnych-  1,7-
dwuazaheptametinowy.  W  burakach  ćwikłowych  głównym  betacyjanem  jest  betanina  (Ryc.
2),  a  główną  betaksantyną  –  wulgaksantyna  I  i  wulgaksantyna  II  (Ryc.  3).  Dwie
wulgaksantyny  róŜnią  się  jedynie  pojedynczą  boczną  grupą  cząsteczki.  Sok  z  buraków  jest
purpurowy  w  środowisku  kwaśnym  (np.  w  obecności  kwasu  octowego  w  barszczu).
Zabarwienie to utrzymuje się do pH=7. Po dodaniu do takiego roztworu amoniaku następuje
zmiana barwy na niebieskofioletowy, a przy pH=12 na brązowy.

Rys. 2. Betanina Rys. 3. Wulgaksantyna I (po lewej) i II (po prawej)

Własności biologiczne

W  świecie  roślinnym  antocyjany  i  betalainy  pełnią  istotną  rolę  sygnalizacyjną
w oddziaływaniach roślin z innymi organizmami. Polega ona między innymi na przyciąganiu
ptaków, małych ssaków czy owadów, które odgrywają istotną rolę w zapylaniu roślin. Drugą
waŜną funkcją tych barwników jest ochrona roślin przed patogenami.
Antocyjany  chronią  tkanki  przed  szkodliwymi  skutkami  promieniowania  UV.  Pochłaniając
promieniowanie UV obniŜają ryzyko uszkodzeń  struktury podwójnej helisy  DNA, obniŜając
tym  samym  ryzyko  powstawania  krzyŜowych  połączeń  nici  DNA,  które  uniemoŜliwiają
prawidłową syntezę białek i podział komórek..

Istnieją poglądy, Ŝe antocyjany mają znaczenie prozdrowotne dla organizmu człowieka.

ObniŜają  one  kruchość  naczyń  włosowatych,  polepszają  jakość  widzenia  wzmagając
ukrwienie  oka  i  stymulując  produkcję  istotnej  w  procesie  widzenia  rodopsyny,  wykazują
aktywność  antywirusową.  Wiele  z  tych  poglądów  nie  jest  jednak  udowodnionych  w

badaniach naukowych. Choć antocyjany są waŜnymi przeciwutleniaczami, ich wpływ na
organizm człowieka jest wciąŜ słabo poznany.

Zastosowanie

Antocyjany to rozpuszczalne w wodzie naturalne barwniki, których barwa zaleŜy od pH

rodowiska i obecności jonów metali. Znalazły one powszechne zastosowanie jako barwniki

w  farmacji  i  przemyśle  spoŜywczym,  gdzie  oznaczane  są  jako  E  163.  Istnieją  jednak  pewne
ograniczenia w zastosowaniu antocyjanów w produkcji Ŝywności. W niektórych przypadkach
rozpuszczalność  w  wodzie  jest  czynnikiem  ograniczającym  zastosowanie  antocyjanów  oraz
fakt,  iŜ  na  barwę  antocyjanów  mają  wpływ:  pH  środowiska,  temperatura,  dostęp  tlenu,
działanie  światła  nadfioletowego.  Utracie  barwy  moŜna  zapobiegać  stosując  obniŜoną
temperaturę  przechowywania,  opakowania  nieprzepuszczające  światła  lub  pakowanie  w
atmosferze pozbawionej tlenu. W praktyce, trudno jest uzyskać czyste barwniki antocyjanowe
i  najczęściej  do  barwienia  produktów  spoŜywczych  stosuje  się  surowe  ekstrakty.  Jako
barwniki antocyjanowe wykorzystuje się głównie ekstrakt ze skórki winogron (E163(i)), oraz
ekstrakt z czarnej porzeczki (E163(iii)).

Wszystkie betalainy są rozpuszczalne w wodzie, co stanowi ograniczenie w ich stosowaniu.
Betalainy są trwałe w zakresie pH od 3,5 do 7,0, obejmującym prawie wszystkie produkty

ywnościowe, przy maksymalnej trwałości w pH 5,5. Betanina jest wraŜliwa na światło

i  podwyŜszoną  temperaturę,  przez  co  moŜna  ją  stosować  wyłącznie  w  Ŝywności  świeŜej,
w  produktach  pakowanych  w  modyfikowanej  atmosferze  lub  produktach,  które
nie  są  poddawane  obróbce  termicznej.  Najczęściej  stosuje  się  ją  w  produktach  mroŜonych
(lodach,  jogurtach).  Wysuszony  sok  buraczany  jest  bardziej  trwały  i  jest  stosowany  jako
barwnik  sproszkowanych  napojów  typu  instant.  Jest  takŜe  trwały  przy  wysokich  stęŜeniach
cukru i moŜe być zastosowana do barwienia ciastek, galaretek i nadzień owocowych.

Ekstrakt

z korzenia buraka ćwikłowego jest barwnikiem Ŝywności oznaczonym symbolem E 162.

Część doświadczalna

Odczynniki:

Roztwory o pH od 0.12 do 13.8
2 liście z czerwonej kapusty
burak ćwikłowego

Sprzęt laboratoryjny:
26 probówek
2 statywy
2 x zlewka 250 ml, 2 x zlewka 400 ml
lejek
sączek celulozowy
cylinder miarowy 250 ml
łaźnia wodna

Pokroić 2 liście czerwonej kapusty na paski (1-2 cm szerokości), umieścić w zlewce

na 400 ml, zalać ok. 300 ml gorącej wody i gotować około 10 minut. Liście powinny
być całkowicie zanurzone. Po 10 min. gotowania odlać wywar do nowej zlewki
uŜywając lejka i sączka celulozowego.

Obrać i pokroić buraka w kostkę, umieścić w zlewce na 400 ml i zalać ok. 300 ml

gorącej  wody  i  gotować  około  10  minut.  Burak  powinien  być  całkowicie  zanurzony.
Po  10  min.  gotowania  odlać  wywar  do  nowej  zlewki  uŜywając  lejka  i  sączka
celulozowego.

Do 13 probówek nalać po 6 ml wyciągu z czerwonej kapusty, do kolejnych 13 po 6 ml
wyciągu z buraka.

Do 12 probówek z wyciągiem z czerwonej kapusty dolać po 3 ml znajdujących się na

stanowisku roztworów o pH od 0.12 do 13.8 (jedna probówka pozostaje bez dodatku
roztworu jako próba kontrolna). Analogicznie postąpić z probówkami, w których
znajduje się wyciąg z buraka.

Porównać barwy roztworów we wszystkich probówkach i zanotować wnioski w tabeli

poniŜej.

pH dodawanego roztworu

Barwa po 30 s

Barwa po 10 min.

Próba kontrolna

(bez dodatku roztworu)

0.12

1.6

5.8

6.2

6.6

7.0

7.4

7.8

8.1

11.0

12.8

13.8

Literatura

1.  Praca  zbiorowa  pod  redakcją  Włodzimierza  Grajka.  Przeciwutleniacze  w  Ŝywności.
Aspekty  zdrowotne  technologiczne,  molekularne  i  analityczne.  Wydawnictwa  Naukowo-
Techniczne. Warszawa 2007.
2. Adamiec M. 2008.  Antocyjany: występowanie, biosynteza i wpływ na zdrowie człowieka
Serwis Biotechnologiczny Biotechnologia.pl
3.Hendry  G.A.F.,  Houghton  J.D.  Natural  food  colorants,  2  nd  edition,  Blackie  Academic
Press, 1996
4.

www.portal.wsiz.rzeszow.pl/plik.aspx?id=7466. StęŜenie jonów wodorowych. Wskaźniki

pH. Roztwory buforowe. Ćwiczenie 5
5. www.food-info.net

6. www.uwm.edu.pl/kchem/dosw/kapusta/kapusta.html
7. www.wikipedia.pl
8.

www

en.wikipedia.org